高铁锌硫化矿的细菌浸出基础及其工艺研究

摘要

高铁锌硫化矿在选矿分离上存在药耗大、成本高和回收率低的缺点，并且选别出的高铁锌精矿在传统湿法炼锌的焙烧—浸出工序中由于形成铁酸锌，降低了锌的浸出率，增大了冶炼难度。针对高铁锌硫化矿难选难冶的问题，本论文以取自广西大厂矿区的铁闪锌矿为研究对象，开展了高铁锌硫化矿的细菌浸出基础及其工艺研究。 研究应用的浸矿细菌是分离自广西大厂矿区锌硫化矿矿坑水的一组混合菌，其主要菌种组成是氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌和氧化亚铁钩端螺旋菌。论文研究了金属离子和非金属离子、表面活性剂以及能源基质对细菌的铁硫氧化活性及其浸矿过程的影响，通过浸矿试验、SEM、EDXA、XRD和电化学测试等研究方法和手段探讨了铁闪锌矿的细菌浸出机理和锌铁的浸出行为，在此基础上开展了含铁闪锌矿矿石和铁闪锌矿浮选精矿的细菌浸出研究，并进行了含锌细菌浸出液的溶剂萃取纯化研究和探讨，提出了锌硫化矿细菌浸出—萃取—电积工艺的基本流程。 离子和表面活性剂对细菌的铁硫氧化活性有影响，进而影响到细菌的浸矿过程。一定浓度的铜离子和表面活性剂OPD由于促进了细菌氧化元素硫，降低了浸出pH值，因此提高了铁闪锌矿的浸出速率。铜离子由于晶格取代形成的CuS或CuS2对铁闪锌矿的浸出还具有电化学催化作用。 以不同能源基质培养得到的细菌表现出强弱不同的铁硫氧化活性，同时具备强氧化铁活性和强氧化硫活性的细菌具有较好的浸矿性能。以磁黄铁矿为能源基质培养得到的一组细菌具有良好的铁氧化活性和吸附特性，并且其硫氧化活性也未减弱，该细菌具有良好的浸矿性能。 铁闪锌矿的细菌浸出遵循收缩未反应核模型，浸出渣SEM、EDXA和XRD分析表明，未反应核界面的固体产物层是FeS、S和铁矾的混合物。当固体产物层比较致密或不断长大时，通过固体产物层的内扩散成为浸出反应速率的控制步骤，铁闪锌矿的浸出速率降低；当有浸矿细菌存在并且其铁硫氧化活性较强时，固体产物层被氧化或减少或成疏松多孔状，使得未反应核界面的化学反应成为浸出反应速率的控制步骤，铁闪锌矿的浸出速率增大。铁闪锌矿浸出的电化学研究也表明，在低电位下铁闪锌矿电极表面生成钝化膜，有细菌存在时钝化膜的溶解速率加快，有利于铁闪锌矿的浸出。 根据铁闪锌矿浸出的能带模型，铁闪锌矿可以被Fe3+离子和H+离子浸出，反应产物是Fe2+离子和元素硫。因此只有亚铁氧化能力或硫氧化能力的细菌也能浸出铁闪锌矿。细菌在铁闪锌矿浸出中的作用是将Fe2+离子氧化成Fe3+离子和将还原态硫氧化成硫酸，使铁闪锌矿的浸出反应得以持续进行。吸附在矿物表面的细菌因为优先获得能源基质进行生长代谢，在快速生长繁殖的同时其代谢产物又促进了铁闪锌矿的溶解。 铁闪锌矿中的ZnS与FeS是晶体结构相似但属于不同晶象间的混溶，由于Fe所处的八面体位置比处于四面体位置的Zn具有更大的晶体场稳定能，因此Zn更容易被优先浸出。利用以磁黄铁矿为能源基质培养的细菌浸出铁闪锌矿浮选精矿，在适宜的工艺条件下锌的浸出率达到96％以上，而铁的浸出率只有18％左右，实现了锌铁的选择性浸出。 以D2EHPA为锌萃取剂，260号煤油作稀释剂从含锌细菌浸出液中富集锌，经过萃取、洗涤和反萃可获得符合锌电积要求的硫酸锌溶液。在此基础上提出了锌硫化矿细菌浸出—萃取—电积工艺的基本流程，对于锌硫化矿矿石或浮选锌精矿，该流程在技术上都具有可行性。

目录

文摘

英文文摘

前言

原创性声明及关于学位论文使用授权说明

第一章绪论

1.1微生物湿法冶金进展

1.1.1生物浸出的应用实践

1.1.2金属硫化矿细菌浸出机理

1.1.3提高细菌浸出速率的研究

1.2锌硫化矿细菌浸出研究现状

1.2.1锌硫化矿细菌浸出机理研究

1.2.2锌硫化矿细菌浸出动力学模型研究

1.2.3锌硫化矿细菌浸出工艺研究

1.3我国锌矿资源特点及利用状况

1.3.1资源特点

1.3.2铁闪锌矿利用状况

1.4本论文的研究目的和任务

第二章原材料和研究方法

2.1矿样

2.2细菌培养

2.2.1菌种采集

2.2.2接种培养

2.3研究方法

2.3.1摇瓶浸出

2.3.2细菌氧化活性测试

2.3.3吸附量测试

2.3.4矿物表面分析

2.3.5电化学测试

2.3.6溶剂萃取

2.4分析方法

第三章锌硫化矿浸出细菌的培育及其氧化活性

3.1原始细菌和驯化细菌的Fe2+氧化活性

3.2离子及表面活性剂对细菌铁硫氧化活性的影响

3.2.1 Zn2+离子的影响

3.2.2 Cu2+离子的影响

3.2.3 CN-离子的影响

3.2.4苯酚的影响

3.2.5 OPD的影响

3.3生长介质对浸矿细菌氧化活性的影响

3.4用磁黄铁矿培育浸矿细菌

3.5小结

第四章铁闪锌矿的细菌浸出研究

4.1原始细菌和驯化细菌对铁闪锌矿浸出的影响

4.2金属离子对铁闪锌矿细菌浸出的影响

4.2.1 Cu2+离子对铁闪锌矿细菌浸出的影响

4.2.2 Fe2+离子对铁闪锌矿细菌浸出的影响

4.3表面活性剂对铁闪锌矿细菌浸出的影响

4.3.1 OPD、吐温60和吐温80对细菌浸出影响的比较

4.3.2 OPD对铁闪锌矿细菌浸出的影响

4.4铁硫氧化活性对细菌浸出的影响

4.5不同能源基质培养的细菌浸出铁闪锌矿

4.5.1不同能源基质培养的细菌对铁闪锌矿浸矿的影响

4.5.2铁闪锌矿细菌浸出反应速率控制步骤

4.6用磁黄铁矿培养的细菌浸出铁闪锌矿

4.7小结

第五章铁闪锌矿细菌浸出机理研究

5.1铁闪锌矿中锌铁的浸出机制

5.1.1铁闪锌矿中锌铁占位机制

5.1.2铁闪锌矿中锌铁的浸出行为

5.1.3铁闪锌矿细菌浸出机理模型

5.2铁闪锌矿细菌浸出的电化学行为研究

5.2.1循环伏安测试

5.2.2铁闪锌矿电极的动电位极化研究

5.2.3铁闪锌矿电极的恒电位极化研究

5.3铁闪锌矿细菌浸出电极反应过程分析

5.3.1浸出过程的氧化溶解

5.3.2铁闪锌矿浸出的能带模型

5.4细菌在浸出中的行为

5.5小结

第六章含铁闪锌矿矿石和浮选锌精矿的细菌浸出

6.1含铁闪锌矿矿石的细菌浸出

6.1.1摇瓶浸出

6.1.2渗滤浸出试验

6.2浮选锌精矿的细菌浸出

6.2.1锌精矿中残存浮选药剂的影响

6.2.2生物量的影响

6.2.3矿浆浓度的影响

6.2.4温度的影响

6.2.5 Cu2+离子和OPD的影响

6.2.6机械搅拌的影响

6.3浮选锌精矿的细菌浸出工艺条件

6.4小结

第七章用D2EHPA从细菌浸出液萃取锌的研究

7.1 D2EHPA萃取锌的机理研究

7.1.1萃取平衡及萃合物组成的测定

7.1.2 D2EHPA萃取锌的动力学研究

7.2 D2EHPA对金属离子的萃取特性

7.2.1 D2EHPA萃取锌的饱和容量

7.2.2 D2EHPA对其它金属离子的萃取平衡

7.3用D2EHPA从锌精矿细菌浸出液萃取锌

7.3.1锌的溶剂萃取

7.3.2锌的选择性反萃

7.3.3空载有机相中铁的反萃

7.3.4负载有机相的洗涤试验

7.4讨论

7.5浸出——萃取——电积工艺流程

7.6小结

第八章结论

参考文献

读研期间发表论文及读研期间获奖项目

致谢